CN106463314B - 全范围电力熔断器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高电压电力熔断器，其具有通过硅酸盐化的填充材料、所形成的熔体几何形状、电弧屏障材料和一体式端子配件促进的大幅减小的尺寸。还公开了制造方法。

Description

全范围电力熔断器
相关申请的交叉引用
本申请是在2014年5月28日提交的美国申请系列号14/289,032的部分延续申请，所述美国申请的全部内容通过引用结合于此。
技术领域
本发明的领域总体上涉及电路保护熔断器和制造方法，更具体地涉及高电压、全范围电力熔断器的制造。
背景技术
熔断器被广泛地用作过电流保护装置以防止电路的高代价的损坏。熔断器端子典型地形成电源或供电装置与电气部件或设置在电路中的部件的组合之间形成电连接。一个或多个可熔断链或元件或熔体组件连接在熔断器端子之间，使得当从熔断器通过的电流超过预定极限时，可熔体熔融并且经熔断器断开一个或多个回路以防止电气部件损坏。
所谓的全范围电力熔断器可在高电压配电设备中工作以在相等的效力下安全地切断比较高的故障电流和比较低的故障电流。鉴于电力系统的不断扩大的变化，这种公知的熔断器在一些方面处于劣势。期望全范围电力熔断器的改进以满足市场的需求。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种全范围电力熔断器，其包括：
壳体；
与所述壳体联接的第一端子元件和第二端子元件；
连接在所述第一端子元件和所述第二端子元件之间并且在所述壳体内部延伸的全范围熔断器组件，所述熔断器组件包括：
短路熔体，所述短路熔体具有机械且电气连接至所述第一端子元件的第一端部和机械且电气连接至所述第二端子元件的第二端部，其中，所述短路熔体响应为切断电力系统中的高电流或短路故障，和
过载熔体，所述过载熔体具有机械且电气连接至所述第一端子元件的第一端部和机械且电气连接至所述第二端子元件的第二端部，其中，所述过载熔体响应为切断电力系统中的低过载电流或过载故障电流状态，
其中，所述短路熔体和所述过载熔体能够结合地工作以以相等的效力安全地切断高电流或短路故障和低过载电流或过载故障电流；以及
其中，所述短路熔体和所述过载熔体是包括由多个倾斜区段分隔开的多个基本上共面的区段的基本上等同地形成的熔体，所述短路熔体和所述过载熔体互为镜像地设置在所述壳体中；以及
在所述壳体中的灭弧填充物，其中所述灭弧填充物在所述壳体中机械地结合到所述短路熔体和所述过载熔体的至少一部分以及所述第一端子元件和第二端子元件的一部分；以及
与所述灭弧填充物分开的电弧屏障材料，所述电弧屏障材料在接近相应的第一端子元件和第二端子元件的位置处围绕所述短路熔体和所述过载熔体中的每一者。
附图说明
参照附图说明非限制性和非详尽的实施例，在全部各图中相同的附图标记表示同样的部分，除非另外指出。
图1是公知的高电压电力熔断器的侧视立面图。
图2是本发明的示例性高电压、全范围电力熔断器的侧视立面图。
图3是图2所示的示例性电力熔断器的透视图。
图4是与图3相似但揭示了图2和3所示的电力熔断器的内部构造的视图。
图5是图2-4所示的电力熔断器的侧视图，揭示了该电力熔断器的内部结构。
图6是图2-5所示的电力熔断器的俯视图，揭示了该电力熔断器的内部结构。
图7是用于图2-6所示的示例性电力熔断器的熔体组件的透视图。
图8是图7所示的熔体组件的装配图，其示出了其更多细节。
图9示出图2-6所示的电力熔断器的示例性电流限制效果。
图10示出包括图2-6所示的电力熔断器的电动车辆电力系统的示例性驱动轮廓。
图11示出根据图2-8形成的电力熔断器的第一版本的功率密度。
图12示出根据图2-8形成的电力熔断器的第二版本的功率密度。
图13示出根据图2-8形成的电力熔断器的第三版本的功率密度。
图14是制造图2-8所示的示例性电力熔断器的第一示例性方法的流程图。
图15是制造图2-8所示的示例性电力熔断器的第二示例性方法的流程图。
图16部分地示出用于图2-8所示的电力熔断器的硅酸盐填充材料的结合。
图17是用于图2所示的电力熔断器的示例性端子配件总成的透视图。
图18A、18B、18C和18D示出了图2所示的电力熔断器的制造的示例性阶段。
图19是用于图2所示的电力熔断器的替换端子配件的透视图。
图20是图17所示的组件的替换端子配件总成的透视图。
图21是安装在电力熔断器上的图20所示的端子配件总成的透视图。
图22是图20所示的端子配件总成的替换端子配件总成的透视图。
图23A、23B、23C、23D和23E示出包括图22所示的端子结构的电力熔断器的示例性制造阶段。
具体实施方式
电动车辆技术中的最新进展尤其对熔断器制造商提出了独特的挑战。电动车辆制造商正在寻求用于在比常规车用配电系统高得多的电压下工作的配电系统的可熔断的电路保护，同时寻求更小的熔断器以满足电动车辆规格和需求。
用于常规的、内燃发动机驱动的车辆的电力系统在较低的电压下(典型地处于48VDC或48VDC以下)工作。然而，用于电力驱动车辆——本文中称为电动车辆(EV)——的电力系统以高得多的电压工作。EV的较高电压系统(例如，200VDC以上)通常使得电池能够储存更多来自电源的能量，并且相比于与内燃发动机联用的储存12伏或24伏能量的常规电池和最近的48伏电力系统，以更低的损失(例如，热损失)向车辆的电动机提供更多能量。
EV原始设备制造商(OEM)采用电路保护熔断器以保护全电池电动车辆(all-battery electric vehicle，BEV)、混合动力车辆(HEV)和插电式混合动力车辆(PHEV)中的电力负荷。跨越各EV类型，EV制造商寻求在降低购置成本的同时使EV的每次电池充电的里程数最大化。达成这些目标依赖于EV系统的能量储存和电力传输，以及电力系统所携带的车辆构件的尺寸、体积和质量。更小和/或更轻的车辆将比更大和更重的车辆更有效地满足这些需求，并且因此所有EV构件现在针对潜在尺寸、重量和成本节省进行详细检查。
一般而言，更大的构件倾向于具有更高的相关材料成本，倾向于扩大EV的总尺寸或占用局促的车辆容积中的过度空间量，并且倾向于带来直接减少每次电池充电的车辆里程数的更大质量。然而，公知的高电压电路保护熔断器是比较大且比较重的构件。历史上，并且有充分理由，电路保护熔断器已倾向于扩大尺寸以满足与较低电压系统相反的高电压电力系统的需求。因此，保护高电压EV电力系统所需的已有熔断器比保护常规的、内燃发动机驱动的车辆的较低电压电力系统所需的已有熔断器大得多。期望越来越小或越来越轻的高电压电力熔断器以满足EV制造商的需要，而不牺牲电路保护性能。
用于现有技术EV的电力系统可在高达450VDC的电压下工作。提高的电力系统电压理想而言在每次电池充电中向EV传送更多电力。然而，这种高电压电力系统中的电力熔断器的工作条件比低电压系统严峻得多。具体地，对于较高电压电力系统而言，将尤其难以满足与熔断器断开时的电弧放电状态有关的性能规范，尤其当与行业对电力熔断器的尺寸缩减的偏好相结合时。虽然公知的电力熔断器目前可由EV OEM用于现有技术EV应用的高电压电路中，但能够满足用于EV的高电压电力系统的要求的常规电力熔断器的尺寸和重量对于在新型EV的实施中不切实际地高，更不必说成本。
退一步说，提供能够处理现有技术EV电力系统的高电流和高电池电压同时在熔体在高电压下工作时提供可接受的切断性能的相对更小的电力熔断器是有挑战性的。熔断器制造商和EV制造商各自都将受益于更小、更轻和成本更低的熔断器。虽然EV创新正在引领市场期望得到更小的、更高电压的熔断器，但朝向更小却更强劲的电气系统的潮流超越了EV市场。各种其它电力系统应用无疑将受益于在其它方面提供性能与更大的、常规地制作的熔断器相当的更小熔断器。需要对本领域中长期未满足的需求进行改进。
以下描述克服了这些和其它困难的电路保护熔断器的示例性实施例。相对于公知的高电压电力熔断器而言，示例性熔断器实施例有利地提供了相对地更小和更紧凑的物理包装尺寸，其又占据EV中的减小的物理容积或空间。此外，相对于公知的熔断器而言，示例性熔断器实施例有利地提供了相对更高的电力处理能力、更高电压工作、全范围电流-时间工作、更低的短路通泄能量性能以及更长的工作寿命和可靠性。如以下说明的，示例性熔断器实施例被设计和构造成提供极高的电流限制性能以及较长的使用寿命和防止故障的或过早的熔断操作的高可靠性。方法方面将从以下说明中部分地明确阐述并且部分地变得明显。
虽然在EV应用和特定类型具有下述特定等级的熔断器的上下文中说明，但本发明的益处不必局限于EV应用或所述的特定熔断器类型或等级。确切而言，相信本发明的益处更广泛地归于许多不同的电力系统应用并且也可部分或完全实践以构建具有与本文中所述相似或不同的等级的不同类型熔断器。
图1示出公知的电力熔断器100，而图2示出根据本发明的一个示例性实施例形成的电力熔断器200。所示的示例中的电力熔断器100是公知的UL J类熔断并且常规地构成。
如图1所示，电力熔断器100包括壳体102、构造成用于与线和负载侧电路连接的端子接片104、106以及熔体组件(图1中未示出)，所述熔体组件包括实现端子接片104、106之间的电连接的一个或多个熔体。当经受预定的电流状态时，熔体熔融、解体或以其它方式在结构上失效，并经由端子接片104、106之间的熔体断开电路通路。因此，当发生电故障状态时，负载侧电路经由熔体的操作而与线侧电路电隔离，以保护负载侧电路部件和电路免受损坏。
如图2所示，本发明的电力熔断器200包括壳体202、构造成用于与线和负载侧电路连接的端子接片204、206和实现端子接片204、206之间的电连接的熔体组件208(在图4-8中示出)。当经受预定电流状态时，熔体组件208的至少一部分熔融、解体或以其它方式在结构上失效，并且断开端子接片204、206之间的电路路径。因此，当发生电故障状态时，负载侧电路与线侧电路电隔离以保护负载侧电路部件和电路免受损坏。
熔断器100和200两者均构造成提供500VDC的电压等级和150A的电流等级。熔断器100和200的尺寸截然不同，然而，如下表1中所示，其中LH是熔断器的壳体在其相对两端之间的轴向长度，RH是熔断器的壳体的外半径，并且LT是在位于壳体的相对两侧的彼此相对的叶片端子的远端之间测定的熔断器的总长度。
表1
熔断器包装尺寸缩减
本发明(熔断器200)对现有技术(熔断器100)
表1揭示了在所列举的各尺寸中电力熔断器200相比于熔断器100的总尺寸缩减了约50％。虽然在图1中未列出，但熔断器200的体积与熔断器100的体积相比减小约87％。因此，熔断器200提供了显著的尺寸和体积缩减，而以其它方式提供了与熔断器100相当的熔断器保护性能。由于用于构建熔断器200的材料相比于熔断器100减少了，因此熔断器200的尺寸和体积缩减有助于进一步重量减轻和成本节省。因此，并且由于熔断器200的尺寸更小，对于EV电力系统应用而言熔断器200更为优选。现在将详细说明实现这种尺寸和体积缩减的熔断器200的设计和构造。
图3和4是示例性电力熔断器200的相似视图，但壳体202的一部分在图4中被显示为透明的以揭示内部结构。
在一个示例性实施例中，壳体202由本领域中公知的非导电性材料如玻璃三聚氰胺制成。在其它实施例中，可按需替换地使用适合于壳体202的其它公知材料。另外，在所示的示例性实施例中，所示的壳体202大体呈筒状或管状，并且沿垂直于轴向长度尺寸LH和LT(图2)的轴线具有大体圆形的截面。然而，壳体202可替换地呈另一种形状形成，包括但不限于具有互相正交地设置的四个侧壁并因此具有正方形或矩形截面的矩形。如图所示的壳体202包括第一端部210、第二端部212和位于相对的端部210、212之间的内孔或通道，所述内孔或通道接纳并容纳熔体组件208(图4)。
在一些实施例中，壳体202可按需由导电材料制成，不过这将需要绝缘垫片等以将端子接片204、206与壳体202电隔离。
端子接片204、206分别从壳体202的各相对端部210、212沿相反的方向延伸，并且设置成彼此大体共面地延伸。在设想的实施例中，各端子接片204、206可由诸如铜或黄铜的导电材料制成。在其它实施例中，可按需替换地使用其它公知的导电材料以形成端子接片204、206。各端子接片204、206形成有如图3所示的孔洞214、216，并且孔洞214、216可接纳诸如螺栓的紧固件(未示出)以使熔断器200在EV中固定就位，并且经由端子接片204、206建立与电路导体的线路和负载侧电路连接。
虽然针对熔断器200示出和描述示例性端子接片204、206，但在又一些和/或替换实施例中可同样利用其它端子结构和装置。例如，在一些实施例中，孔洞214、216可被认为是非必要的并且可以省略。可设置刀片状触头来代替如图所示的端子接片，并且将期望采用与现有技术中相同的套圈端子或端盖来提供各种不同类型的端子选择。端子接片204、206也可按需间隔开并以大体平行的取向设置，并且可在与所示位置不同的位置从壳体202突出。
图4-6示出各种视图，其中可透过壳体的被显示为透明的部分从各种有利位置看到熔体组件208。熔体组件208包括各自分别与设置在端板226、228上的端子接触块222、224连接的第一熔体218和第二熔体220。包括块222、224的端板226、228由诸如铜、黄铜或锌的导电材料制成，不过其它导电材料是公知的并且可同样用于其它实施例中。可使用包括但不限于硬焊技术的公知技术来建立熔体218、220和端子接触块222、224的机械和电连接。
在各种实施例中，端板226、228可形成为包括端子接片204、206，或者端子接片204、206可分别地设置和附接。端板226、228在一些实施例中可被视为非必要的并且熔体组件208与端子接片204、206之间的连接可采用另一种方式建立。
还示出了将端板226、228相对于壳体202固定就位的一定数量的固定销230。在一个例子中，固定销230可由钢制成，不过其它材料是公知的并且可按需采用。在一些实施例中，销230可被视为非必要的并且可省略以支持其它机械连接特征。
灭弧填充介质或材料232包围熔体组件208。填充材料232可经由端板226、228中的一个的一个或多个填充开口导入壳体202中，所述一个或多个填充开口利用塞234(图4)密封。在各种实施例中，塞234可由钢、塑料或其它材料制成。在其它实施例中，可在其它位置——包括但不限于壳体202——设置一个或多个填充孔，以有利于填充材料232的导入。
在一个设想的实施例中，填充介质232由石英硅砂和硅酸钠粘结剂组成。石英砂在其松铺状态下具有比较高的导热和吸收能力，但可硅酸盐化以提供改进的性能。例如，通过向砂添加液体硅酸钠溶液并且然后烘干游离水，可获得具有以下优点的硅酸盐填充材料232。
硅酸盐材料232形成硅酸钠与熔体218和220、石英砂、熔断器壳体202、端板226和228以及端子接触块222、224的热传导结合。该热结合允许从熔体218、220到它们的周围、电路接口和导体的更高热传导。向石英砂施加硅酸钠有助于将热能从熔体218、220传导出来。
硅酸钠232将砂与熔体、端子和壳体管机械地结合，从而增强这些材料之间的热传导。通常，可仅包括砂的填充材料仅与熔断器的熔体的导电部分进行点接触，而填充材料232的硅酸盐化砂与熔体机械地结合。因此，通过硅酸盐化填充材料232可以实现效率和效力高得多的热传导，这部分地促进了熔断器200相对于提供相当的性能的公知熔断器——包括但不限于熔断器100(图1)——的大幅尺寸缩减。
图7更详细地示出熔体组件208。由于组件208中的进一步有助于熔断器200的尺寸缩减的熔体设计特征，电力熔断器200可在更高的系统电压下工作。
如图7所示，各熔体218、220通常由导电材料带形成为通过倾斜区段242、244连接的一系列的共面区段240。熔体218、220通常以大致相同的形状和几何形状形成，但在组件208中相对彼此倒转。即，所示实施例中的熔体218、220关于彼此成镜像(in a mirrorimage)设置。换言之，熔体218、220中的一个正面朝上，而另一个正面朝下，从而引起相当紧凑和节省空间的结构。虽然示出了特定的熔体几何形状和布置结构，但在其它实施例中，其它类型的熔体、熔体几何形状和熔体的布置结构也是可能的。熔体218、220无需在所有实施例中都彼此等同地形成。此外，在一些实施例中，可采用单个熔体。
在所示的示例性熔体218、220中，倾斜区段242、244形成为脱离平面区段240所处的平面或者从该平面弯曲出来，并且倾斜区段242具有与倾斜区段244相等和相反的斜率。即，在所示的示例中，倾斜区段242中的一个具有正斜率而倾斜区段244中的另一个具有负斜率。倾斜区段242、244成对设置在如图所示的平面区段240之间。端子接片246被示出为位于熔体218、220的相对端部上，从而可如上文所示建立与端板226、228的电连接。
在所示的示例中，平面区段240限定出多个截面面积缩小的区域，本领域中称为薄弱部位。在所示的示例中，薄弱部位由平面区段240中的圆形孔洞限定。薄弱部位对应于区段240在相邻的孔洞之间的最薄/最窄部分。薄弱部位处的缩小的截面面积将随着电流流经熔断元件218、220而经历热集中，并且薄弱部位的截面积被策略性地选择成在经受特定电流状态的情况下致使熔体218和220在薄弱部位的位置处断开。
多个区段240和设置在各区段240中的多个薄弱部位有利于熔体操作时的电弧分割。在图示的示例中，熔体218、220将在对应于区段240的三个位置处而不是一个位置处同时断开。在图示的示例之后，在450VDC系统中，当熔体操作以通过熔断器200断开电路时，电弧将在区段240的三个位置处进行分割，并且各位置处的电弧将具有150VDC而不是450VDC的电弧电位。设置在各区段240中的多个薄弱部位更有效地分割薄弱部位处的电弧。电弧分割引起填充材料232的减量以及壳体202的半径的减小，从而使得能够缩小熔断器200的尺寸。
平面区段240之间的弯折的倾斜区段242、244仍提供用于电弧燃烧的平坦长度，但应当谨慎选择弯折角度以避免电弧在区段242、244相交的拐角处结合的可能性。弯折的倾斜区段242、244还提供在端子接片246的远端之间和平行于平面区段240的方向上测定的熔体组件208的更短的有效长度。更短的有效长度有利于缩短熔断器200的壳体202的轴向长度，否则在熔体不包括弯折的区段242、244的情况下这种缩短将是必要的。弯折的倾斜区段242、244还提供从制造疲劳和来自使用中的当前周期性运行的热膨胀疲劳的应力释放。
为了维持这种具有高功率容量和高电压操作性能的小型熔断器包装，在使用填充物232中的硅酸盐化石英砂(silicated quartz sand)和上述形成的熔体几何形状时必须施加特殊的元件处理。具体地，在熔体218、220的端子接片246附近施加诸如RTV硅树脂或UV固化硅树脂的电弧阻挡或电弧屏障材料250的应用。已发现用产生最高百分比的二氧化硅(硅石)的硅树脂来最佳地执行阻挡或减轻端子接片246附近的电弧复燃。不希望端子接片246处的任何电弧放电，并且因此电弧阻挡或电弧屏障材料250在其设置的位置处完全包围熔体218、220的整个截面，从而防止电弧放电达到端子接片246。
现在参照图8，通过采用两个熔体熔融机构实现全范围时间-电流操作，一个机构用于高电流操作(或短路故障)，而一个机构用于低电流操作(或过载故障)。因此，熔体218有时称为短路熔体，而熔体220有时称为过载熔体。
过载熔体220包括梅特卡夫效应(M效应)涂层252，其中将纯锡(Sn)施加至在本例中由铜(Cu)制成的熔体，该M效应涂层252贴近一个区段240的薄弱部位延伸。在过载发热期间，Sn和Cu一起扩散以试图形成共熔材料。在设想的实施例中，结果是介于Cu和Sn的熔点之间的某一处熔点或约为400℃的较低熔点。包括M效应涂层252的过载熔体220和区段240因此将响应于不会影响短路熔体218的电流状态。虽然M效应涂层252施加至过载熔体220的三个区段240中的仅一个区段的约一半，但在需要时也可将M效应涂层施加至其它区段240。此外，与图8所示的较大涂层相反，在另一实施例中M效应涂层可仅在薄弱部位的位置处局部地施加。
通过减小短路熔体218中的熔体熔融截面来实现较低的短路通泄能量。这通常将对熔断器额定值产生负面影响，因为增加的电阻和热降低了额定载流量。由于硅酸盐化砂填充材料232能更有效地从熔体218散热，所以它补偿了否则将引起的载流量的损失。熔断器200的示例性电流限制效果在图9中示出。
图10示出使熔断器200易受加载电流循环疲劳的影响的EV电力系统应用中的示例性驱动轮廓。更具体地，随着熔断器200持续该驱动轮廓，热机械应力可主要由于蠕变应变而在熔体薄弱部位中发展。熔体薄弱部位中产生的热是引起机械应变的开始的主要诱因。然而，向石英砂施加硅酸钠有助于使热能从熔体薄弱部位传出并离开，并且减小机械应力和应变以减轻否则可能引起的负载电流循环疲劳。硅酸钠将砂与熔体、端子和壳体机械地结合，从而增强这些材料之间的热传导。薄弱部位中产生较少的热并且机械应变的开始因此延迟。
图11示出构造成提供500VDC电压额定值和150A电流额定值的熔断器200的第一版本。如在图11中所见的，该熔断器具有13.33cm3的体积和(150A/13.33cm3)或11.25A/cm3的功率密度，该功率密度这里被定义为单位体积的熔断器安培数。
图12示出构造成提供500VDC电压额定值和250A电流额定值的熔断器200的第二版本。如在图12中所见的，增大的载流容量额定值使得需要比图11所示的熔断器更大的熔断器。该熔断器具有26.86cm3的体积和250A/26.86cm3或9.308A/cm3的功率密度。
图13示出构造成提供500VDC电压额定值和400A电流额定值的熔断器200的第三版本。如在图13中所见的，增大的载流容量额定值使得需要比图12所示的熔断器更大的熔断器。该熔断器具有39.85cm3的体积和400A/39.85cm3或10.04A/cm3的功率密度。
不论当前额定值如何，相比于具有与下表2中所示的相似额定值的标准可用电力类熔断器，熔断器200呈现出明显更高的功率密度。
表2
功率密度
单位体积(cm3)的熔断器安培数
<u>额定值</u> <u>熔断器200</u> <u>UL T类</u> <u>UL J类</u> <u>UL R类</u>
150A 11.25 6.04 4.61 0.5
250A 9.31 4.07 1.27 0.32
400A 10.04 6.51 2.04 0.52
精明的读者将认识到，熔断器200相对于额定值相似的UL Class T、UL J类和UL R类熔断器而言的较高功率密度是熔断器200相比于相同额定值的UL T类、UL J类和UL R类熔断器而言尺寸减小的反映。各额定值下的熔断器200仅为可操作成切断功率电路中的类似电路状态的常规熔断器的一小部分。
上述特征可用于实现具有如上所述的特定额定值的熔断器的尺寸的减小，或替换地增加具有特定尺寸的熔断器的额定值。换言之，通过实现上述特征，不论单独还是组合，都可增加具有特定尺寸的熔断器的功率密度并且可获得更高额定值。例如，可增加图1所示的常规熔断器100的功率密度以提供具有相似尺寸的更高额定值的熔断器。
虽然以上仅阐述了熔断器200的示例性电流额定值，但应理解，在其它实施例中另一些电流额定值和载流容量也是可能的，并且如果获得的话可引起功率密度的又一些变化。可通过增大或减小薄弱部位的截面积、改变熔体几何形状、增大或减小熔体的有效长度、以及相应地改变壳体和端子的尺寸来实现不同载流容量的熔断器。此外，虽然所述的熔断器200具有500V电压额定值，但其它电压额定值也是可能的并且可利用与熔断器的构件相似的构型实现。
图14示出制造上述高电压电力熔断器200的示例性方法300的流程图。
该方法包括在步骤302提供壳体。所提供的壳体可对应于上述壳体202。
在步骤304，提供至少一个熔体。该至少一个熔体可包括上述熔体组件208。
在步骤306，提供熔断器端子。熔断器端子可对应于上述端子接片204、206。
在步骤308，作为方法300的其余部分的预备步骤，可将在步骤302、304和306提供的构件部分地或完全装配。
作为又一些准备步骤，在步骤310提供填充材料。该填充材料可以是如上所述的石英砂材料。然而，其它填充材料也是公知的并且同样可采用。
在步骤312，向在步骤310提供的填充材料施加硅酸盐粘结剂。在一个示例中，硅酸盐粘结剂可作为硅酸钠液体溶液添加至填充材料。可选择地，可在步骤314干燥硅酸盐材料以除去水分。然后可在步骤316提供干燥后的硅酸盐材料。
在步骤318，可利用在步骤316提供的硅酸盐填充材料来填充壳体，并且将其围绕步骤308的装配中的熔体松铺/松散地压缩在壳体中。可选择地，在步骤320干燥填充物。在步骤322密封熔断器以完成装配。
图15示出制造电力熔断器200的另一示例性方法350的另一流程图。准备步骤302、304、306、308与上文针对方法300所述的步骤相同。
在步骤352，提供诸如石英砂的填充材料。在步骤354，利用所提供的填充材料填充壳体，并且将填充材料松散地填塞在步骤308的装配中的熔体周围。
在步骤356，施加硅酸盐粘结剂。可对安置在壳体中之后的填充物添加硅酸盐粘结剂。这可通过经由设置在如上所述的端盖226、228中的填充孔添加液体硅酸钠溶液来完成。可替代地重复步骤354和356，直至壳体充满具有期望的量和比例的填充物和硅酸盐粘结剂。
在步骤358，干燥硅酸盐化的填充物以完成机械和热传导结合。在步骤360，可通过安装上述填充塞234来密封熔断器。
要么利用方法300要么利用方法350，在填充颗粒、壳体中的熔体、诸如上述端板226、228和触头222、224的任何连接端子机构之间建立热传导结合。硅酸盐填充材料提供有效的热传递系统，该热传递系统冷却使用中的熔体并且有利于实现更大的上述功率密度。
如图16中部分地示出的，填充材料的颗粒370(本例中的石英砂)与硅酸盐粘结剂372(本例中为硅酸钠)机械地结合在一起，并且硅酸盐粘结剂372进一步将填充材料颗粒370与熔体218和220的表面机械地结合。粘结剂372进一步将填充材料颗粒370与端板226和228和端子触头222、224的表面以及壳体202的内表面机械地结合。相比于在松铺于熔断器的壳体中时仅建立点接触的常规地施加的非硅酸盐化填充材料，这些元件的这种互相结合能更有效地传热。通过硅酸盐化的填充颗粒建立的传热结合的增加的效力，使得熔体218、220能够耐受比否则可耐受的电压和电流条件更高的电压和电流条件。
图17是用于图2所示的电力熔断器200的示例性端子配件总成400的透视图。在所示的示例中，端子组件400包括端子204和端板226，所述端子204和端板226作为分别地设置并由诸如上述的材料单独地制作的零件形成。端子204被显示为包括连接器部分402，该连接器部分402接纳在形成于端板226中的孔洞404中。因此，在端子零件204和端板零件226各自利用公知的成型技术分别形成之后，连接器部分402穿过端板226中的孔洞404，然后通过包含但不限于焊接和硬焊工艺的公知技术将这两个零件彼此机械和电气地接合。相对于端子和端板一体地制作的实施例而言，两件组件400提供了较经济的组装。
当组装两件组件400时，连接器部分402完全穿过端板226并且连接器部分402从供其插入的端板226的相反侧延伸。在这种布置结构中，端子零件的端子204的连接器部分402在端板226的一侧延伸，而包括孔洞214的端子接片从相反侧延伸。因此，连接器部分402在装配在端板226上时有效地充当接触块222(在图5中示出)，该接触块又与熔体组件208的一端连接。然而，在另一实施例中，接触块222可设置在端板226上，或在再另一实施例中，接触块222可被设置成是可与分别地制作和提供的端子零件和端板装配的第三部件。
虽然一个端子组件400被显示为包括端子204和端板226，但如图所示，另一端子组件400也可设置成用作从端子400联接至熔断器壳体202的相对端的端板228和端子206。即，电力熔断器200可构造成在熔断器壳体202的相对端部上具有大致相同的端子组件400，其中熔体组件208连接在它们之间。在另一实施例中，在需要的情况下，在熔断器壳体202的相对端部上端子组件可彼此不同，不过这可能会增加制造成本。
图18A、18B、18C和18D示出包括图17所示的端子组件400的电力熔断器200的制造的示例性阶段。这些图更具体地示出了图14和15所示的步骤302至308所示的方法步骤。
在图18A中，装配框架410设置成包括纵向主区段412、在主区段412的任一端从主区段412垂直地延伸的横向区段414、416、和平行于主区段412并从横向区段414、416的相应端部朝向彼此延伸的装配腿部418、420。由于外观形状，装配框架410有时被称为C形框架。在所示的例子中，装配腿部420比装配腿部418长，并且间隙在装配腿部418、420的端部之间延伸以帮助如接下来阐述的熔断器200的组装。
在图18A中，熔断器壳体202被显示为在框架410的较长装配腿部420上延伸。端子组件400如上所述被组装并且附接在相应的装配腿部418、420上。在图示的实施例中，装配框架410的装配腿部418、420包括接纳穿过端子接片204、206中的孔洞214、216的紧固件424的孔洞。例如，紧固件426可以是螺钉，该螺钉可与位于装配腿部418、420的相反侧的对应螺母匹配。当螺母被紧固时，端子接片204、206被夹持在相应的装配腿部418、420上。如图18A中还示出的，各端子组件400中的连接器部分402面向彼此并且彼此对齐。间隙在连接器部分402之间延伸，在该间隙中可装配熔体组件208。该间隙被预先确定为容纳熔断器组件208的有效长度但不会更长。
图18B示出构成在端子组件400之间的熔体组件208。上述熔体的端子接片246(图7)与端子组件400的连接器部分402(图18A)机械地和电气地接合。
在图18C中，壳体202从其在装配腿部420上的初始位置(图18A)可滑动地移动到其封闭熔体组件208的最终位置。在设想的实施例中，壳体202可经由销230(也在图4中示出)固定就位。然而，如上所述，壳体202可替换地按需经由本领域中公知的替换技术固定就位。与硅酸盐化填充材料的施加和熔断器的密封有关的图14或15所示的方法的其余部分然后可在熔断器壳体202就位之后完成。
图18D示出从装配框架410移除的已完成的电力熔断器200。将紧固件422、424(图18A)容易地移除以将熔断器200与装配框架410分离。与装配框架410分离可发生在硅酸盐填充物施加完成之后、熔断器的密封完成之后或前面的任何时点。即，当组件与装配框架410分离时，硅酸盐化填充物的施加和熔断器的密封可完全地或部分地发生。
图19是用于电力熔断器200的替换端子配件430的透视图。如图19所示，配件430包括被加工成包括端子204、端板226和接触块222(图19中未示出)的一块材料。该单件式配件的制造成本比处于一个构件级别的图17所示的两件式部件更高，但是通过省略对借助硬焊或焊接组装和紧固两件式端子组件的任何需求，简化了熔断器200的装配。该一体式端子配件430可代替图18A、18B、18C和18D中的两件式部件400以利用减少的步骤来构造熔断器200。
一体式端子配件430的较高构件成本可通过其带来的较低装配成本抵消。一体式配件430还提供相对于上述两件式部件400的性能益处，即，装配的熔断器200中减小的电阻和改善的热流动。与上述其它特征相结合，一体式端子配件430的改善的热流动和减小的电阻允许减小熔断器的物理尺寸，同时仍能在诸如上述的应用中在升高的电流和电压下工作。
图20是图17所示的端子配件总成400的替换端子配件总成440的透视图。与组件400相似，组件440包括由诸如上述的材料分别地和独立地制作的两个零件。
端子配件总成440中的第一零件可理解为是形成为包括接触块222的端板226。即，端板226和接触块222由被加工成如图所示的形状的单件材料制成。在所示的示例中，端板226形成有跨越端板226的圆形面径向地延伸的槽441。槽441接纳下述第二端子零件442的一部分。
第二端子零件442在图20中被显示为具有在第一平面中延伸的第一区段444和在垂直于第一平面的截平面中延伸的第二区段446。因此，端子接片442包括直角弯曲部以使得端子接片442呈L形。第一区段444在轴向上比第二区段446更短。在所示的示例中，第一区段444的远端448包括接片，在设想的实施例中，该接片有利于在远端448插入槽441中并且利用焊接或硬焊技术将两个零件接合时与端板226的机械和电连接。在图20中还可见槽441比它在各块接合时接纳的区段444宽。
虽然在图20中一个端子组件440被显示为包括端子442和端板226，但另一个端子组件440可设置成包括可如图21所示装配与联接至熔断器壳体202的相对端部的端板228和类似端子442。即，电力熔断器200可构造成在熔断器壳体202的相对端部上具有大致相同的端子组件440，其中熔体组件208连接在它们之间。在另一实施例中，在需要的情况下在熔断器壳体202的相对端部上端子组件可互不相同，不过这可能会增加制造成本。
如在图21中所见的，叶片部分446在熔断器壳体202的相对端部上以彼此大体间隔开但平行的关系延伸。与图2-6和17-18所示的叶片端子204、206相比，EV制造商有时偏爱该端子布置结构。
图22是图20和21所示的组件440的替换端子配件460的透视图。与图19所示的配件430相比，配件460包括被加工成包括端子442、端板226和接触块222的一件材料。该单件式配件的制造成本比处于一个构件级别的图20所示的两件式部件更高，但是通过省略对借助硬焊或焊接组装和紧固两件式端子组件的任何需求，简化了熔断器200的装配。该一体式端子配件460可代替两件式配件430以利用减少的步骤来构造熔断器200。
一体式端子配件460的较高构件成本可通过其带来的较低装配成本而抵消。一体式配件460还提供相对于上述两件式配件430的性能益处，即装配的熔断器中减小的电阻和改善的热流动。与上述其它特征相结合，一体式端子配件430的改善的热流动和减小的电阻允许减小熔断器200的物理尺寸，同时仍能在诸如上述的应用中在升高的电流和电压下工作。
图23A、23B、23C、23D和23E示出包括图22所示的端子配件460的电力熔断器200的示例性制造阶段。这些图更具体地示出了图14和15所示的步骤302至308所示的方法步骤。
在图23A中，设置了如上文关于图18A所述的装配框架410，有时称为C形框架。在图23A中，熔断器壳体202被显示为在框架410的更长装配腿部420上延伸。端子配件460如上所述一体地形成并且利用已知的紧固件附接在装配框架410的相应装配腿部418、420上。如图23A中还示出的，各端子配件460中的接触块222、224面向彼此并且彼此对齐。间隙在接触块222、224之间延伸，可制作熔体组件208。该间隙被预先确定为容纳熔断器组件208的有效长度但不会更长。
图23B示出构成在端子配件460之间的熔体组件208。上述熔体的端子接片246(图7)与端子配件460的接触块222、224(图23A)机械地和电气地接合。
在图23C中，壳体202从其在框架410的装配腿部420上的初始位置(图23A)可滑动地移动到其封闭熔体组件208的最终位置。在设想的实施例中，壳体202可经由销230(也在图4中示出)固定就位。然而，如上所述，壳体202可替换地按需经由本领域中公知的替换技术固定就位。与硅酸盐化填充材料的施加和熔断器的密封有关的图14或15所示的方法的其余部分然后可在熔断器壳体202就位之后完成。
图23D示出从装配框架410移除或分离的已完成的电力熔断器200。与装配框架410分离可发生在硅酸盐填充物施加完成之后、熔断器的密封完成之后或前面的任何时点。即，当组件与装配框架410分离时，硅酸盐填充物的施加和熔断器的密封可完全地或部分地发生。
图23E示出各端子配件460中的端子442弯曲成限定出垂直于区段444而延伸的区段446。即，端子442成形为包括直角弯曲部。熔断器200现在完成并且准备使用。可设想，在一些实施例中，可提前使端子442弯曲，并且然后可省略该步骤。在提前使端子442弯曲的这些实施例中，可能需要不同的装配框架410以采用经济的方式制造熔断器200。
现在相信已关于所公开的示例性实施例充分阐述了所公开的发明思想的益处。
已公开了电力熔断器的一个实施例，该电力熔断器包括：壳体；与所述壳体联接的第一和第二端子配件，每个端子配件包括端板和端子并且每个端子配件是单件式和两件式组件中的一者；在所述壳体内部并且在所述第一和第二端子配件之间延伸的至少一个熔体；以及包围所述壳体中的所述至少一个熔体的填充物，其中所述填充物与所述熔体组件机械地结合。
可选择地，所述端子可以是叶片端子。所述叶片端子可包括直角弯曲部。所述叶片端子可包括孔洞。所述端子配件可包括单个零件，并且所述填充物可包括钠水玻璃砂/钠硅酸盐化的砂(sodium silicated sand)。
所述至少一个熔体可可选地包括短路熔体和过载熔体。所述短路熔体和所述过载熔体可以是互为镜像地设置在所述壳体中的基本上等同地形成的可熔体。所述短路熔体和所述过载熔体中的每一者可包括由多个倾斜区段分隔开的大致共面的多个区段。所述大致共面的多个区段中的每一个可包括限定出多个薄弱部位的多个孔洞。所述过载熔体的至少一部分可被提供以M效应处理。所述短路熔体的至少一部分和所述过载熔体的至少一部分可设置有电弧屏障材料。
所述熔断器可可选地具有至少500VDC的电压额定值。所述壳体可呈筒状并且可具有约1.5英寸至约3英寸的轴向长度。所述熔断器可具有至少150A、至少250A或至少400A的电流额定值。所述熔断器可呈现至少9.0A/cm3的功率密度。所述熔断器可呈现约11.25A/cm3的功率密度。
还公开了全范围电力熔断器的一个实施例，其包括：壳体，所述壳体包括相对的第一和第二端部；与相应的所述第一和第二端部联接的第一和第二端板；从相应的所述第一和第二端板延伸的第一和第二端子；在所述壳体内部延伸并且与相应一个所述端板连接的全范围熔断器组件；在所述壳体中包围所述至少一个熔体的填充物，其中所述填充物与所述熔体组件、所述壳体以及所述第一和第二端子机械地结合；并且其中至少所述第一端板和所述第一端子由单件式配件限定。
可选地，所述第一端子可包括端子接片。所述端子接片可包括直角弯曲部。所述第一端板包括接触块，其中所述熔体组件与所述接触块连接。所述填充物可包括钠水玻璃砂。所述全范围熔断器组件可设置有电弧屏障材料。所述熔体组件可具有至少500VDC的电压额定值。所述非导电壳体可呈筒状，并且所述筒状壳体可具有约1.5英寸至约3英寸的轴向长度。所述熔体组件可具有在约150A至约400A的范围内的电流额定值。所述熔断器可呈现至少约9.0A/cm3到至少约11.0A/cm3的功率密度。
一种利用装配框架制造高电压电力熔断器的方法，所述框架具有第一和第二装配腿部并且所述熔断器包括壳体、全范围熔体组件以及第一和第二端子配件。所述方法包括：将所述壳体插入到所述装配框架的第一装配腿部上；将所述第一端子配件装配在所述装配框架的所述第一装配腿部上；将所述第二端子配件装配在所述装配框架的所述第二装配腿部上；将所述全范围熔体组件连接在所述第一端子与所述第二端子之间的间隙中；使所述壳体滑动到所述全范围组件上；将所述壳体固定就位以封闭所述全范围熔体组件；以及将硅酸盐化的填充材料施加至装配好的所述壳体、所述全范围熔体以及所述第一和第二端子以建立所述硅酸盐化的填充材料与装配好的所述壳体、所述全范围熔体以及所述第一和第二端子之间的机械结合。
可选地，将所述第一端子配件装配在所述装配框架的所述第一装配腿部上可包括提供包括端板和端子的一体式端子配件，以及将所述端子附接在所述装配框架的所述第一装配腿部上。将所述第二端子配件装配在所述装配框架的所述第二装配腿部上还可包括：将限定出端子的第一端子零件装配在限定出端板的第二端子零件上；以及固定所述装配框架的所述第二装配腿部的所述第一端子零件。
所述第一和第二端子配件中的每一者可可选地包括端子接片，其中所述方法还包括在所述端子接片的至少一个中形成直角弯曲部。
施加硅酸盐化的填充材料可包括向填充材料添加硅酸盐粘结剂。向所述填充材料添加硅酸盐粘结剂可包括向石英砂添加硅酸盐粘结剂。向硅砂添加所述硅酸盐粘结剂可包括向石英砂施加硅酸钠粘结剂。向所述填充材料添加所述硅酸盐粘结剂可包括添加硅酸盐粘结剂的液体溶液以形成所述填充材料与所述硅酸盐粘结剂的混合物。所述方法还可包括干燥所述混合物。
此书面描述使用了包括最佳模式在内的实例来公开本发明，并且使得本领域的任何技术人员都能够实施本发明，包括制造与使用任何装置或系统以及执行任何所结合的方法。本发明的专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果其它示例没有不同于权利要求的字面语言的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言存在非实质性区别的等同结构元件，则此类其它示例旨在落入权利要求的范围之内。

Claims (15)

1.一种全范围电力熔断器，包括：
壳体；
与所述壳体联接的第一端子元件和第二端子元件；
连接在所述第一端子元件和所述第二端子元件之间并且在所述壳体内部延伸的全范围熔断器组件，所述全范围熔断器组件包括：
短路熔体，所述短路熔体具有机械且电气连接至所述第一端子元件的第一端部和机械且电气连接至所述第二端子元件的第二端部，其中，所述短路熔体响应为切断电力系统中的高电流或短路故障，和
过载熔体，所述过载熔体具有机械且电气连接至所述第一端子元件的第一端部和机械且电气连接至所述第二端子元件的第二端部，其中，所述过载熔体响应为切断电力系统中的低过载电流或过载故障电流状态，
其中，所述短路熔体和所述过载熔体能够结合地工作以以相等的效力安全地切断高电流或短路故障和低过载电流或过载故障电流；以及
其中，所述短路熔体和所述过载熔体是包括由多个倾斜区段分隔开的多个基本上共面的区段的基本上等同地形成的熔体，所述短路熔体和所述过载熔体互为镜像地设置在所述壳体中；以及
在所述壳体中的灭弧填充物，其中所述灭弧填充物在所述壳体中机械地结合到所述短路熔体和所述过载熔体的至少一部分以及所述第一端子元件和第二端子元件的一部分；以及
与所述灭弧填充物分开的电弧屏障材料，所述电弧屏障材料在接近相应的第一端子元件和第二端子元件的位置处围绕所述短路熔体和所述过载熔体中的每一者。
2.根据权利要求1所述的全范围电力熔断器，其中，所述第一端子元件包括第一端子接片，而所述第二端子元件包括第二端子接片。
3.根据权利要求2所述的全范围电力熔断器，所述壳体包括第一端部和第二端部，所述第一端子元件还包括与所述第一端部联接的第一端板并且所述第二端子元件还包括与所述第二端部联接的第二端板。
4.根据权利要求3所述的全范围电力熔断器，还包括从至少所述第一端板延伸的接触块，并且所述短路熔体和所述过载熔体中的每一者的第一端部与所述接触块机械且电气地连接。
5.根据权利要求3所述的全范围电力熔断器，其中，至少所述第一端板和所述第一端子接片作为单独的零件制作。
6.根据权利要求5所述的全范围电力熔断器，其中，所述第一端板包括开口，并且所述第一端子接片延伸穿过所述开口。
7.根据权利要求5所述的全范围电力熔断器，其中，所述第一端板包括槽，并且所述第一端子接片的一部分接纳在所述槽中。
8.根据权利要求2所述的全范围电力熔断器，其中，至少所述第一端子接片包括直角弯曲部。
9.根据权利要求2所述的全范围电力熔断器，其中，至少所述第一端子接片包括孔洞。
10.根据权利要求1所述的全范围电力熔断器，其中，所述灭弧填充物包括钠水玻璃砂。
11.根据权利要求1所述的全范围电力熔断器，其中，所述短路熔体和所述过载熔体中的每一者中的所述多个基本上共面的区段中的每一个包括限定出多个薄弱部位的多个孔洞。
12.根据权利要求11所述的电力熔断器，其中，所述过载熔体的至少一部分被提供以M效应处理。
13.根据权利要求11所述的全范围电力熔断器，其中，所述薄弱部位均不被电弧屏障材料覆盖。
14.根据权利要求1所述的全范围电力熔断器，其中，所述熔断器具有至少500VDC的电压额定值，并且其中所述壳体具有约1.5英寸的轴向长度。
15.根据权利要求1所述的全范围电力熔断器，其中，所述熔断器具有在约150A至约400A的范围内的电流额定值，并且其中所述熔断器呈现约9.0A/cm3至约11.25A/cm3的功率密度。
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